Revista "Frío y Calor" N° 92

7. Acústica
Este es un tema muy complejo y aquí sólo se pretende entregar algunos lineamientos que tiene relación con el uso de ventiladores.

7.1 Términos acústicos
El nivel sonoro es un término bastante ambiguo y debe ser evitado. No entrega ninguna información sobre si es presión o potencia sonora, curva A, B o C, o a qué distancia de la fuente se encuentra. Tampoco entrega información acerca del lugar en el que se encuentra instalado el ventilador.

La presión sonora es lo que se siente y que puede ser medido. Esta depende de lo que existe alrededor de la fuente de sonido y de la distancia a ella. Esta se expresa en decibeles (dB) por encima de un nivel de referencia.

La potencia sonora es una medida que tiene relación con la intensidad de una fuente sonora. Por ejemplo la potencia sonora de una pistola es siempre la misma, pero la sensación de una persona (presión) dependerá mucho de la distancia y de si el disparo fue realizado en un recinto interior o exterior. También se expresa en dB, pero con un nivel de referencia  de 1 pW.

Al analizar los niveles de ruido de un ventilador, es necesario analizar el ruido generado a distintas frecuencias (desde 44 a 22500 Hz). Por lo general se utilizan los octavos de banda, pero también se pueden utilizar 1/3 de octavos de banda. La figura 15 muestra un ejemplo de los niveles de ruido presentado octavos de banda.

Otra forma de presentar resultados es mediante el uso de curvas de ponderación, que permiten describir el nivel de ruido mediante un solo número. Las más usadas son las curvas A, B y C. Estas curvas tratan de emular como el oído escucha. La curva A (A-weighting) es la más utilizada y entrega una indicación de lo molestoso que un ruido puede ser.

7.2 Niveles de ruido
Los fabricantes de ventiladores entregan la información sonora de variadas formas, que a veces puede confundir a los usuarios. Por ejemplo,

•  presión sonora media a una distancia de 3 diámetros del impulsor desde la entrada o salida del ventilador, en condiciones a campo abierto (“free field”).

•  presión sonora media a una distancia de 1 metro del impulsor desde la entrada o salida del ventilador, en condiciones a campo abierto (“free field”).

En el primer caso, el resultado será menor debido a que la presión sonora disminuye con la distancia. La única forma de comparar efectivamente es utilizando la potencia sonora, ya que ésta no se afecta con la distancia y es una medida de la energía que emana un equipo.

En condiciones reales, los niveles serán afectados por el tipo de instalación y serán siempre mayores a los obtenidos en condiciones “free field”, debido al rebote de las ondas sonoras en otras superficies, tales como pisos y paredes.

Por ejemplo, un ventilador de 1 metro de diámetro puede tener una potencia sonora de 100 dB, pero a su vez puede tener las siguientes presiones sonoras:

A) 80 dB a 3 m de distancia de  la salida del ventilador.

B) 89 dB a 1 m de distancia de  la salida del ventilador.

C) 102 dB  a 1 m dentro de un  ducto de aire.

D) 96 dB en  el interior de una  sala de alta reverberancia.

Los fabricantes pueden entregar potencia o presión sonora (a distintas distancias a la entrada o salida), un cifra ponderada (A weighted), mediciones a campo abierto o una obtenida al interior de un ducto. Todos los métodos son diferentes, pero todos se entregan en dB. Es muy importante saber cuál es el que se está utilizando, con el fin de poder comparar diferentes ventiladores.

7.3 Control de ruido
Existen variadas formas de controlar sonidos no deseados como el utilizar silenciadores y cámaras acústicas. Esto puede evitarse si al momento de seleccionar el ventilador, el nivel de ruido es un factor de importancia a ser considerado. Ruido es sonido no deseado.

El ruido se genera por diversas razones, pero es el resultado de variaciones de presión como por ejemplo en flujos turbulentos al interior de un ducto. Un ventilador genera diferencias de presión entre la entrada y salida, y como resultado genera flujos turbulentos a través de él. Una forma de reducir estos niveles de ruido es por ende reducir los niveles de turbulencia generados por el ventilador, esto dependerá mucho del tipo y del fabricante.

Otra posible causa, es el flujo turbulento generado en los sistemas de ventilación, cuando las velocidades del aire en los ductos son muy elevadas. En algunas ocasiones, objetos colocados muy cerca de la entrada o salida de los ventiladores pueden causar ruidos molestos. La vibración de algunas componentes también puede ocasionar ruidos. En algunos casos el ruido generado por los motores puede ser superior al de los ventiladores.

Algunos métodos de control pueden generar ruido. Los dampers de control, restringen el flujo, generan turbulencia que se traduce en ruido. La variación de voltaje y de frecuencia en los motores puede ocasionar vibraciones en los ventiladores y motores.

Con el fin de evitar y/o minimizar los niveles de ruido se debería:

•   seleccionar ventiladores cercanos a su máxima eficiencia.
•   reducir la velocidad de operación del ventilador, con el fin de minimizar el ruido generado por el impulsor.
•   mantener las velocidades del aire bajas para minimizar los niveles de turbulencia en el sistema.
•   asegurarse que los cambios de dirección y de tamaño en ductos son adecuados, con el fin de minimizar
    turbulencia.
•   evitar obstrucciones a la entrada y salida del ventilador.
•   asegurarse que el motor haya sido seleccionado adecuadamente.
•   incluir sistemas de amortiguación.

La reducción de ruido puede lograrse de diversos modos. Existen cámaras acústicas, que muchas veces corresponden a las salas de máquinas. En otros casos se pueden utilizar silenciadores a la entrada y/o salida de los ventiladores, aislamiento acústico de ductos. El tipo de silenciadores y de aislamiento dependerá de las frecuencias que desean ser reducidas y de la reducción requerida.

Entre los tipos de silenciadores ofrecidos por los fabricantes de ventiladores se pueden mencionar:

Circulares
Estos son normalmente utilizados para ventiladores del tipo axial y pueden ser normalmente montados directamente en ellos. Estos silenciadores poseen por lo general placas perforadas y bajo estas placas, materiales absorbente. Es necesario considerar las pérdidas de carga que se generan. Existen dos tipos, con o sin parte central. Todo dependerá de los niveles de reducción requeridos. Es necesario consultar los datos del fabricante.

Tipo Split
Este tipo de silenciadores pueden lograr mayores reducciones, pero además requieren de mayor análisis para su diseño y selección. Esto debido a que pueden tener diferentes largos, anchos, canales internos, tipo de materiales, etc. En estos casos es necesario la ayuda de los fabricantes y/o expertos en control de ruido, con el fin de seleccionar el producto más adecuado.

8. Aplicaciones Típicas

8.1 Manejadoras de Aire

Esta unidades de aire acondicionado, tiene por objetivo tratar el aire antes de ingresarlo al recinto que deben atender. Incluyen variados componentes, y entre ellos el más importante el que produce el movimiento de aire, ventiladores.
Por lo general se utilizan ventiladores centrífugos de doble aspiración, que a veces están además en paralelo. Por lo general esta unidades se diseñan para aire limpio. El fabricante de las unidades se preocupa por la selección de los ventiladores.

8.2 Extracción de polvo y humo

En varios procesos es importante controlar la cantidad de polvo y humos que existen en el ambiente. La captura de estos humos y polvos es crítica, y es aquí donde el ventilador juega un rol primordial, ya que debe ser capaz de atraerlos hacia el sistema de ventilación. Velocidades de aspiración del orden de 0,5 m/s es suficiente para capturar la mayoría de los diferentes tipos de polvos y humos. Polvos que incluyan tamaños de partículas mayores deben ser analizados en mayor detalle. El tipo de ventilador a utilizar dependerá mucho de la aplicación. Por ejemplo, en el caso de la monería las concentraciones de polvo son bastante mayores y los ventiladores son expuestos a altos niveles de erosión, por lo cual deben por lo general ser más robustos.

Una vez que el aire que contiene humos o polvos ha sido capturado, es necesario mantener velocidades al interior de los ductos que permitan el transporte adecuado de éstos. La tabla 1, entrega algunas recomendaciones.

8.3 Ambientes explosivos
El 1 de Julio de 2003 entró en rigor en la Unión Europea, una directiva que regula el uso de ventiladores en ambientes explosivos, que incluye todos los equipos que no son eléctricos. Es decir, no sólo incluye los motores, pero todos aquellos componentes que potencialmente pueden probar chispas durante su funcionamiento.

Ambientes explosivos son aquellos donde existe una mezcla de aire y substancias explosivas, en una proporción tal que pueden explotar debido a altas temperaturas, chispas o arcos eléctricos. Estas substancias explosivas pueden ser gases, vapores, polvo o spray.

Existen diferentes clasificaciones que dependen del peligro identificado, en términos de la frecuencia y duración de este (Ver Tabla 2).

Además existe otra clasificación que depende de la industria y del tipo de gas:

Grupo I: Gas metano en las minas de carbón

Grupo IIA/B: Otros gases industriales agrupados en términos de su potencialidad de peligro.

Existe además una clasificación de los equipos de acuerdo a su construcción y diseño. Esto tiene relación con las zonas en las cuales los ventiladores pueden operar. Algunos ventiladores serán aptos para operación sólo en zonas tipo 2 por ejemplo. En general los ventiladores se diseñan para operar en zonas 1 y 2. Estas aplicaciones son muy delicadas y la asistencia de expertos es esencial, con el fin de evitar posibles accidentes.

8.4 Ventilación de Cocinas

Estos sistemas incluyen no sólo ventiladores, pero además campanas de extracción, filtros, silenciadores, dampers de control, entre otros. La selección del ventilador dependerá mucho del sistema a utilizar, pero por lo general son sistemas que tienen grande caídas de presión. Es muy importante en estos sistemas dejar suficiente espacio para realizar una adecuada limpieza y mantención al equipo.

Dependiendo del tipo de filtros a utilizar, debe tomarse en cuenta que la caída de presión irá aumentando a medida que éstos se ensucian. En general se prefieren ventiladores centrífugos, axiales o de flujo mixto, debido a que son más robustos y fáciles de limpiar. Ventiladores pequeños y de plástico pueden concentrar grasa y no soportar las presiones y por ende doblar. Las condiciones típicas van desde temperaturas de 40 a 65 °C con humedades relativas del 95%. Bajo estas condiciones un motor del tipo IP55 debería ser suficiente para asegurar un buen funcionamiento.

Si el motor se encuentra en el flujo de aire y las temperaturas y humedad son mayores, será necesario utilizar motores más resistentes.

Dependiendo del sistema, pueden utilizarse variadores de velocidad, dampers de regulación o motores de dos velocidades, con el fin de controlar el flujo de aire requerido. Las uniones flexibles deben resistentes a la acumulación de grasa y resistentes al fuego en caso de incendios.

8.5 Ambientes agresivos

Existen diversos ambientes que pueden ser considerados agresivos, minería, marinos, químicos, entre otros. Los ambientes marinos por ejemplo de plataformas petroleras son muy agresivos. En estos en particular y dependiendo del proceso, es requerido utilizar ventiladores que posean muy buenas características de funcionamiento además de presentar una gran resistencia a las condiciones ambientales y de potenciales ambientes explosivos. En muchos casos se prefieren ventiladores construidos enteramente de acero inoxidable con algunas componentes de bronce, que ayudan a minimizar la generación de chispas.

9. Ahorro de Energía
Esta sección entrega algunas ideas de cómo identificar potenciales ahorros de energía para ventiladores y sistemas de ventilación. Ahorros de energía pueden ser obtenidos a nivel de la aplicación, del diseño, del rendimiento, del ventilador, del motor, del sistema de ventilación, entre otros. La siguiente lista no es exhaustiva y sólo menciona algunos puntos a considerar.

¿Está el ventilador realizando un trabajo útil?
Si el funcionamiento del ventilador no es necesario, debe ser detenido, con el fin de no gastar energía en forma innecesaria. Los ahorros de energía pueden ser considerables, de hasta un 50%.

¿Ha sido instalado el ventilador en un lugar que ayuda a minimizar la resistencia del sistema?       
Un diseño inadecuado se traduce en curvas, ductos y accesorios adicionales que se traducen en sistemas con mayores resistencias al flujo. Una buena planificación al momento de ubicar el ventilador dentro del sistema, puede traer importantes ahorros energéticos.

¿Es necesario cambiar un ventilador para obtener mejores eficiencias en el sistema y el ventilador?
Ahorros significativos pueden lograrse si se selecciona el ventilador adecuado, con puntos de operación cercanos a los de máxima eficiencia. Es por eso que es muy importante seleccionar en forma adecuada. El cambio puede ser justificado en aquellos casos que el sistema funciona en forma muy ineficiente.

¿Está sobredimensionado el motor?   
En una práctica común el usar muchos factores de seguridad para seleccionar motores. En algunos casos los motores pueden ser excesivamente grandes. Por suerte hoy en día, poseen buenos rendimientos cuando se utilizan entre el 50 y el 100% de su potencia. Pero aun es importante no sobredimensionar en forma excesiva.

¿Existen alabes guías en las curvas cercanas a la entrada del ventilador?      
Es recomendable instalar estas guía ya que pueden producir ahorros de energía que pueden llegar hasta un 15%. Esto debido a que mejoran las condiciones de entrada del fluido al ventilador.

¿Existen piezas de transición cuando cambia el tamaño del ducto?   
Es recomendable instalar piezas de transición, los ahorros de energía pueden ser considerables hasta un 10%.

¿Se han realizado chequeos en la instalación, que incluya flujos de aire, presiones y potencia absorbida?Al realizar este tipo de chequeo, variadas acciones pueden ser identificadas, tales como cambiar la velocidad de operación, cambio del motor, cambio del ventilador, etc.

10. Bibliografía

• Woods Practical Guide to Fan Engineering Woods of Colchester, 6th impression, Great Britain, 1992

• Fan Application Guide, CIBSE TM 42:2006 CIBSE/FMA, Great Britain, 2006

• Energy Savings in Fans and Fan Systems, GPG 383        Action Energy, Carbon Trust, Great Britain, 2004

• Handbook of Modern Fan Technology FlaktWoods, Finland, 2003

• Keith Blackman Centrifugal Fan Guide Keith Blackman Limited, 2nd edition, Great Britain, 1992

• Air Conditioning Fans Air Conditioning Clinic, The Trane Company, La Crosse, WI, USA, 1995

• ASHRAE – Applications Handbook 1999

Algunos sitios web de interés:

http://www.kineticsnoise.com/vibronproducts/circular.html

http://www.greenheck.com/

http://www.flaktwoods.com/